CN103855177B

CN103855177B - 图像传感器

Info

Publication number: CN103855177B
Application number: CN201410087816.2A
Authority: CN
Inventors: 李�杰
Original assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Current assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: CN103855177A

Abstract

本发明涉及一种图像传感器，其包括：光电二极管，通过在第一导电类型半导体衬底内形成第二导电类型区域而形成；第一导电类型隔离层，形成于所述半导体衬底的内部，位于所述光电二极管区域的上部；第一掺杂区域，为第二导电类型，形成于所述半导体衬底的内部、接触位于第一导电类型隔离层上部；第二重掺杂区域，为第二导电类型，形成于所述第一导电类型半导体衬底的内部、接触位于第一掺杂区域的侧部；第一电极部，形成于所述第一导电类型半导体衬底的表面，并接触于所述第二重掺杂区域；传输管的栅极区域，形成于所述第一导电类型半导体衬底的上表面；浮置扩散区域，为第二导电类型重掺杂，接触于所述栅极区域形成于所述第一导电类型半导体衬底内部。

Description

图像传感器

技术领域

本发明涉及半导体器件的领域，更具体地，涉及一种能够防止暗电流产生的图像传感器。

背景技术

图像传感器是构成数字摄像头的重要组成部分，是一种将光学图像转换成电学信号的设备，它被广泛地应用在数码相机、移动终端、便携式电子装置和其他电子光学设备中。图像传感器可分为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal Semiconductor，互补型金属氧化物半导体元件)图像传感器两大类。

CCD图像传感器除了大规模应用于数码相机外，还广泛应用于摄像机、扫描仪、以及工业领域等。而CMOS图像传感器由于其高度集成化、低功率损耗和局部像素可编程随即读取等优点，可适用于数码相机、PC摄像机、移动通信产品等领域。

CCD图像传感器和CMOS图像传感器都是采用光电二极管(Photodiodeor Photodetector)收集入射光，并将其转换为能够进行图像处理的电荷。但是采用光电二极管的图像传感器，在没有入射光时可能仍会产生不期望的输出电流，该不期望的输出电流被公知为“暗电流”，暗电流是在无外界光照的条件下，光电二极管PN结由载流子的热激发产生的电流，其主要由光电二极管中收集的电荷的扩散产生或者器件表面和内部的缺陷以及有害的杂质引起。来自光电二极管的暗电流可能作为被处理图像中的噪声出现，从而减低画面质量，而过量的暗电流可能导致图像劣化。

因此，在图像传感器的制造中，将光电二极管中的暗电流减到最小是重要的。为了减少暗电流，通常会在形成光电二极管的衬底表面掺杂离子以形成钉扎(pinning)层，该钉扎层通常与衬底接触以使得其具有相同电势，当光电二极管完全耗尽时，光电二极管的电势被钉扎在恒定值，并且表面的缺陷被钉扎层包围，从而减少暗电流。然而，由于传统图像传感器中的光电二极管的钉扎层具有不稳定电位，不能实现稳定的钉扎，表面的缺陷产生的噪声电荷由于扩散作用，仍然有一部分会流入光电二极管中形成暗电流。因此，希望提供一种能够有效防止暗电流产生的图像传感器。

此外，光生载流子被表面的缺陷俘获和释放的过程会引起表面电势的变化，从而产生噪声。因此，希望提供一种能有效防止缺陷的影响、减小暗电流的图像传感器结构。

公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够有效防止暗电流产生的图像传感器。

为了实现上述目的，本发明提供一种图像传感器，该图像传感器包括:

光电二极管，其通过在第一导电类型半导体衬底内形成第二导电类型区域，从而形成光电二极管，其中，所述第二导电类型区域作为光生载流子收集区；

第一导电类型隔离层，其形成于所述第一导电类型半导体衬底的内部，位于所述光电二极管区域的上部；

第一掺杂区域，其具有第二导电类型，形成于所述第一导电类型半导体衬底的内部、接触位于第一导电类型隔离层上部；

第二重掺杂区域，其具有第二导电类型，形成于所述第一导电类型半导体衬底的内部、接触位于第一掺杂区域的侧部；

第一电极部，其形成于所述第一导电类型半导体衬底的表面,并接触于所述第二重掺杂区域；

传输管的栅极区域，其形成于所述第一导电类型半导体衬底的上表面；

浮置扩散区域，其具有第二导电类型重掺杂，其接触于所述栅极区域形成于所述第一导电类型半导体衬底内部；

提供第一电压于所述第一电极部，使得与其电连接的第一掺杂区域和第一导电类型隔离层之间产生电势差，使得由于半导体衬底表面的缺陷产生的第二导电类型的载流子经第一电极部导出，防止暗电流的产生。

优选地，所述第一导电类型为P型，第二导电类型为N型，所述第二导电类型区域为N型区域并且收集的光生载流子是电子，所述第一电压为正电压，致使N型的第一掺杂区域为高电势，P型隔离层为低电势，N型的光生载流子收集区是高电势；半导体衬底表面缺陷产生的噪声电子被第一电极部的高电压导出，进而防止暗电流的产生；

优选地，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型，所述第二导电类型区域为P型区域并且收集的光生载流子是空穴，所述第一电压为负电压，致使P型第一掺杂区域为低电势，N型的隔离层为高电势，P型光生载流子收集区是低电势；半导体衬底表面缺陷产生的噪声空穴被第一电极部的低电压导出，防止暗电流的产生。

优选地，所述图像传感器还包括：

第二电极部，其覆盖形成在所述第一导电类型隔离层上的部分区域；

同时提供第二电压于所述第二电极部，有效的改变第一导电类型隔离层上表面的电势。

优选地，所述第一电压与所述第二电压的极性相同。

优选地，所述第二电极部为多晶硅材质或金属材质。

优选地，所述图像传感器还包括：形成于所述图像传感器外围的浅沟道隔离区域。

优选地，所述第一导电类型半导体衬底包括第一导电类型基底与外延于所述基底上的第一导电类型外延层。

优选地，所述第一掺杂区域中载流子的密度为：1e¹⁶/cm³至5e¹⁸/cm³。

优选地，所述第一掺杂区域的厚度为：0.05微米至0.3微米。

优选地，所述第一电极部采用金属导电电极。

本发明的有益效果在于：本发明通过在半导体衬底的表面形成一电极部并对其施加适当的电压，使得与该电极电连接的第一掺杂区域和第一导电类型隔离层之间产生电势差，从而将由于半导体器件表面的缺陷以及有害的杂质引起载流子经由位于第一掺杂区域的侧部的第二重掺杂区域通过第一电极部导出，从而达到防止暗流产生的目的。

附图说明

通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将变得清楚或更为具体地得以阐明。

图1为根据本发明的第一实施例的图像传感器的像素的剖面图。

图2为根据本发明的第二实施例的图像传感器的像素的剖面图。

图3为根据本发明的第三实施例的图像传感器的像素的剖面图。

图4为根据本发明的第四实施例的图像传感器的像素的剖面图。

应当了解，所附附图并非按比例地显示了本发明的基本原理的图示性的各种特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在这些图形中，贯穿附图的多幅图形，附图标记引用本发明的同样的或等同的部分。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供一种图像传感器，该图像传感器通过在第一导电类型半导体衬底表面形成一电极部，并对其施加适当的电压，从而通过第一电极部将由于半导体器件表面的缺陷以及有害的杂质引起载流子导出。

所述图像传感器包括：光电二极管、第一导电类型隔离层、第一掺杂区域、第二重掺杂区域、传输管的栅极区域、浮置扩散区域和第一电极部。

所述光电二极管通过在第一导电类型半导体衬底内通过掺杂工艺形成第二导电类型区域，从而形成光电二极管，其中，所述第二导电类型区域作为光生载流子收集区；在本实施例中，所述第一导电类型半导体衬底包括第一导电类型基底与外延于所述基底上的第一导电类型外延层，当然，也可采用第二导电类型基底上形成多层的外延层，最终在最顶层的外延层为第一导电类型外延层，并在第一导电类型外延层内形成第二导电类型区域，进而形成光电二极管。

通过掺杂工艺形成第一导电类型隔离层，所述第一导电类型隔离层形成于所述第一导电类型半导体衬底的内部并且位于所述光电二极管区域的上部；其中，所述第一导电类型隔离层也被称为钉扎层，该第一导电类型隔离层与其下的第二导电类型区域构成了钉扎二极管。

通过掺杂工艺形成第一掺杂区域，所述第一掺杂区域具有第二导电类型，所述第一掺杂区域形成于所述第一导电类型半导体衬底的内部并且接触位于第一导电类型隔离层上部；在本实施例中，所述第一掺杂区域中载流子的密度为：1e¹⁶/cm³至5e¹⁸/cm³；所述第一掺杂区域的厚度为：0.05微米至0.3微米。

通过掺杂工艺形成第二重掺杂区域，所述第二重掺杂区域其具有第二导电类型，所述第二重掺杂区域形成于所述第一导电类型半导体衬底的内部并且接触位于第一掺杂区域的侧部；其中所述第二重掺杂区域直接采用离子注入进行掺杂。

通过图形化工艺形成传输管的栅极区域，所述栅极区域形成于所述第一导电类型半导体衬底的上表面；其中栅极区域可包括栅介质层和位于栅介质层上的栅电极，栅电极可以包括导电材质例如，金属(例如，钽、钛、钼、钨、铂金、铝等)金属硅化物(例如，硅化钛、硅化钴、硅化镍等)、金属氮化物(例如，氮化钛、氮化钽等)，掺杂多晶硅、其它导电材料或者它们的组合。在不同的实施例中可采用化学气相沉积、物理气相沉积或者由多晶硅形成。

通过掺杂工艺形成浮置扩散区域，所述浮置扩散区域具有第二导电类型重掺杂，所述浮置扩散区域接触于所述栅极区域形成于所述第一导电类型半导体衬底内部，所述传输管的栅极区域用于将光电二极管中的光电电荷传输到浮置扩散区域，所述浮置扩散区域作为像素输出区；其中光电二极管、浮置扩散区分别作为图像传感器传输管的源区、漏区。

通过图形化工艺形成第一电极部，所述第一电极部形成于所述第一导电类型半导体衬底的表面，并接触于所述第二重掺杂区域。

提供第一电压于所述第一电极部，使得与其电连接的第一掺杂区域和第一导电类型隔离层之间产生电势差，从而使得由于半导体衬底表面的缺陷产生的第二导电类型的载流子经第一电极部导出，防止暗电流的产生。

在一些实施例中，所述第一导电类型为P型，第二导电类型为N型，所述第二导电类型区域为N型区域并且收集的光生载流子是电子，所述第一电压为正电压，致使N型的第一掺杂区域为高电势，P型隔离层为低电势，N型的光生载流子收集区是高电势，从而使由于半导体衬底表面缺陷产生的噪声电子被第一电极部的高电压导出，进而防止暗电流的产生。

然而，在另一些实施例中，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型，所述第二导电类型区域为P型区域并且收集的光生载流子是空穴，所述第一电压为负电压，致使P型第一掺杂区域为低电势，N型的隔离层为高电势，P型光生载流子收集区是低电势，从而使由于半导体衬底表面缺陷产生的噪声空穴被第一电极部的低电压导出，防止暗电流的产生。

在又一实施例中，所述图像传感器还包括：第二电极部，其覆盖形成在所述第一导电类型隔离层上的部分区域，具体而言，所述第二电极部形成在衬底表面的介质层之上，位于第一导电类型隔离层上的部分区域；同时提供第二电压于所述第二电极部，能够有效的改变第一导电类型隔离层上表面的电势。在本实施例中，所述第一电压与所述第二电压的极性相同，所述第二电极部为多晶硅材质或金属材质。

在另一实施例中，所述图像传感器还包括：形成于所述图像传感器外围的浅沟道隔离区域。其中，所述形成的光电二极管由通过已知的STI工艺形成的浅沟道隔离(STI)区域所包围，所述浅沟道隔离能够有助于防止源于相邻像素(图中未示出)的串扰和干扰。

以下通过各实施例，具体说明根据本发明的优选实施方式。

图像传感器中存在多个像素，每个像素都是形成在半导体衬底中的光电二极管。为了简单起见，仅示出了一个像素来展示本发明的各个方面。

图1为根据本发明的第一实施例的图像传感器的像素的剖面图。在本实施例中，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型，所述第二导电类型区域为N型区域，所述图像传感器包括：光电二极管101，其通过在P型半导体衬底100内形成N型区域，从而形成光电二极管；P型隔离层102，形成于所述P型半导体衬底100的内部并且位于所述光电二极管101区域的上部；第一掺杂区域103，其为N型区域，形成于所述P型半导体衬底100的内部、接触位于P型隔离层102上部；第二重掺杂区域104，其为N型区域，形成于所述P型半导体衬底100的内部、接触位于第一掺杂区域103的侧部；第一电极部105，其形成于所述P型半导体衬底100的表面，并接触于所述第二重掺杂区域104；传输管的栅极区域106，其形成于所述P型半导体衬底100的上表面；浮置扩散区域107，其为N型重掺杂，所述浮置扩散区域107接触于所述栅极区域106形成于所述P型半导体衬底100内部。

具体地，所述P型半导体衬底100可以是包括P型基底与外延于所述基底上的P型外延层。在另一实施例中，所述P型半导体衬底100可以仅包括P型外延层而不包括基底。

所述N型区域与P型半导体衬底100中的P型区域在其交界位置形成PN结以构成光电二极管101，所述光电二极管101用于将光信号转变为电信号，即在光照射下产生光生载流子电子－空穴对，并收集所述电子。

所述P型隔离层102也被称为钉扎层，该P型隔离层102与其下的N型区域形成的光电二极管101构成了钉扎二极管，当光电二极管101完全耗尽时，光电二极管的电势会被钉扎在恒定值。

所述传输管的栅极区域106用于将光电二极管101中的光电电荷传输到浮置扩散区域107，所述栅极区域106可以是通过常规电极方法，诸如化学气相沉积(CVD)或等离子体化学气相沉积(PECVD)形成的多层传输栅极，所述浮置扩散区域107为N型重掺杂区域。

所述第一掺杂区域中载流子的密度为：1e¹⁶/cm³至5e¹⁸/cm³；所述第一掺杂区域的厚度为：0.05微米至0.3微米；所述第二重掺杂区域104与所述第一掺杂区域103均为N型，所述第二重掺杂区域104直接采用N型离子注入形成。

为了避免来自相邻像素的串扰和干扰，所述图像传感器还包括形成于所述图像传感器外围的浅沟道隔离区域108。所述形成的光电二极管101被浅沟道隔离(STI)区域108所包围，所述浅沟道隔离区域可以通过适当的制造工艺形成，例如，可以通过利用光刻图案化P型半导体衬底的表面，并利用等离子体刻蚀该表面形成STI沟槽，然后利用介电材料来填充该STI沟槽，从而形成STI区域108。

由于所述光电二极管101收集的光生载流子是电子，因此，提供正电压于所述第一电极部105，致使第一掺杂区域103为高电势，P型隔离层102为低电势，在与所述第一电极部105电连接的第一掺杂区域103和P型隔离层102之间产生正电势差，从而使得由于半导体衬底表面的缺陷产生的噪声电子经第一电极部105的高电压导出，防止暗电流的产生。

图2为根据本发明的第二实施例的图像传感器的像素的剖面图，与第一实施例相比，本实施例的不同在于，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型，所述第二导电类型区域为P型区域，即，光电二极管201，其通过在N型半导体衬底200内形成P型区域，从而形成光电二极管；N型隔离层202，形成于所述N型半导体衬底200的内部并且位于所述光电二极管201区域的上部；第一掺杂区域203，其为P型区域，形成于所述N型半导体衬底200的内部、接触位于N型隔离层202上部；第二重掺杂区域204，其为P型区域，形成于所述N型半导体衬底200的内部、接触位于第一掺杂区域203的侧部；第一电极部205，其形成于所述N型半导体衬底200的表面，并接触于所述第二重掺杂区域204；传输管的栅极区域206，其形成于所述N型半导体衬底200的上表面；浮置扩散区域207，其为P型重掺杂，所述浮置扩散区域207接触于所述栅极区域206形成于所述N型半导体衬底200内部。

并且，在本实施例中，光电二极管201收集的光生载流子是空穴，所述第一电压为负电压，致使P型第一掺杂区域203为低电势，N型隔离层202为高电势，光电二极管201的P型光生载流子收集区是低电势，从而半导体衬底表面缺陷产生的噪声空穴被第一电极部205的低电压导出，以防止暗电流的产生。

图3为根据本发明第三实施例的图像传感器的像素的剖面图。与第一实施例相比，本实施例的不同在于，所述图像传感器还包括：第二电极部309，其覆盖形成于衬底表面的介电层上，位于P型隔离层上的部分区域；其中，所述第二电极部309为多晶硅材质或金属材质。

提供第一正电压于第一电极部305，同时提供第二正电压于所述第二电极部309，所述第一正电压使得与所述第一电极部305电连接的第一掺杂区域303和P型隔离层302之间产生正电势差，而该第二正电压能够有效的改变P型隔离层302与衬底表面之间区域的电势，从而使得由于半导体衬底表面的缺陷产生的噪声电子经第一电极部305和第二电极部309的高电压导出，防止暗电流的产生。

图4为根据本发明的第四实施例的图像传感器的像素的剖面图。与第三实施例相比，本实施例的不同在于，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型，所述第二导电类型区域为P型区域，即，光电二极管401，其通过在N型半导体衬底400内形成P型区域，从而形成光电二极管；N型隔离层402，形成于所述N型半导体衬底400的内部并且位于所述光电二极管401区域的上部；第一掺杂区域403，其为P型区域，形成于所述N型半导体衬底400的内部、接触位于N型隔离层402上部；第二重掺杂区域404，其为P型区域，形成于所述N型半导体衬底400的内部、接触位于第一掺杂区域403的侧部；第一电极部405，其形成于所述N型半导体衬底400的表面，并接触于所述第二重掺杂区域404；传输管的栅极区域406，其形成于所述N型半导体衬底400的上表面；浮置扩散区域407，其为P型重掺杂，所述浮置扩散区域407接触于所述栅极区域406形成于所述N型半导体衬底400内部。所述第二电极部409，其覆盖形成在所述N型隔离层402上的部分区域。

并且所述光电二极管401收集的光生载流子是空穴，所述第一电压和第二电压为负电压，致使P型第一掺杂区域403为低电势，N型隔离层402为高电势，光电二极管401的P型光生载流子收集区是低电势；而所述第二正电压能够有效的改变N型隔离层402与衬底表面之间区域电势，从而使得半导体衬底表面缺陷产生的噪声空穴被第一电极部405和第二电极部409的低电压导出，从而防止暗电流的产生。

上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效，但是本发明并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书覆盖。

Claims

1.一种图像传感器，包括:

第一导电类型隔离层，其形成于所述第一导电类型半导体衬底的内部，并且位于光电二极管区域的上部；

第一掺杂区域，其具有第二导电类型，形成于所述第一导电类型半导体衬底的内部，并且接触于第一导电类型隔离层上部；

第二重掺杂区域，其具有第二导电类型，形成于所述第一导电类型半导体衬底的内部，并且接触于第一掺杂区域的侧部；

第一电极部，其形成于所述第一导电类型半导体衬底的表面，并接触于所述第二重掺杂区域；

浮置扩散区域，其具有第二导电类型重掺杂，并且接触于所述栅极区域形成于所述第一导电类型半导体衬底内部；

提供第一电压于所述第一电极部，使得与所述第一电极部电连接的第一掺杂区域和第一导电类型隔离层之间产生电势差，使得由于半导体衬底表面的缺陷产生的第二导电类型的载流子经由第一电极部导出，防止暗电流的产生。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一导电类型为P型，第二导电类型为N型，所述第二导电类型区域为N型区域并且收集的光生载流子是电子，所述第一电压为正电压，致使N型的第一掺杂区域为高电势，P型的隔离层为低电势，N型的光生载流子收集区是高电势；半导体衬底表面缺陷产生的噪声电子被第一电极部的高电压导出，进而防止暗电流的产生。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型，所述第二导电类型区域为P型区域并且收集的光生载流子是空穴，所述第一电压为负电压，致使P型的第一掺杂区域为低电势，N型的隔离层为高电势，P型光生载流子收集区是低电势；半导体衬底表面缺陷产生的噪声空穴被第一电极部的低电压导出，防止暗电流的产生。

4.根据权利要求2或3所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括：

同时提供第二电压于所述第二电极部，改变第一导电类型隔离层上表面的电势。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其特征在于，所述第一电压与所述第二电压的极性相同。

6.根据权利要求5中所述的图像传感器，其特征在于，所述第二电极部为多晶硅材质或金属材质。

7.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像传感器还包括：形成于所述图像传感器外围的浅沟道隔离区域。

8.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一导电类型半导体衬底包括第一导电类型基底与外延于所述基底上的第一导电类型外延层。

9.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一掺杂区域中载流子的密度为：1e¹⁶/cm³至5e¹⁸/cm³。

10.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一掺杂区域中的厚度为：0.05微米至0.3微米。

11.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述第一电极部采用金属导电电极。